雷 静,陈 雅,廉苇佳,韩 琛,阿依加马丽·加帕尔,任红松
(新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所,新疆吐鲁番 838000)
【研究意义】桑椹含有丰富的花青素、维生素、白藜芦醇、矿物质及微量元素等成分[1]。桑叶富含r-氨基丁酸、黄酮苷、生物碱、多糖等生物活性成分[2],将两者按照比例混合发酵得到桑椹果叶酒,产品不仅含有桑椹果实赋予的果香及生物活性物质,还含有桑叶给予的功能性物质,使酒的成分更加丰富,功效更加显著[3,4]。桑椹浆果的收获季节性强,且在运输和储藏过程中也极易受到外界环境的影响而腐败变质,桑椹通常被加工成果汁、果醋和果酒等产品。吐鲁番地区是桑树适宜生长的地区,据不完全统计,现有桑树约2 466.6 hm2(3.7万亩),产量约2×104t,但对桑椹资源的加工利用程度尚不高,每年又有大量桑椹,桑椹加工果酒不仅充分利用桑资源,而且丰富了果酒市场,增加桑椹的附加值[5]。【前人研究进展】李莉[6]利用鲜桑叶、枸杞、白酒调配出桑叶保健酒;马慧等[7]利用桑椹和桑椹叶制作的桑椹叶果复合饮料;黄进等[8]以桑椹为主要发酵原料,制备了发酵型桑椹果酒,研究杂醇油与生物胺的变化规律,对其工艺进行了优化;欧燕等[9]利用桑椹和草莓2种原料生产出了桑椹-草莓复合果酒;杨芳等[10,11]以桑椹为原料,制作桑椹果酒,测定其主要成分动态变化规律及香气成分分析;吴继军等[12,13]检测了桑椹汁发酵过程中其糖类、有机酸、维生素等成分的变化;Wang等[14]研究了桑椹果酒在发酵过程中酚类化合物的动态变化。【本研究切入点】国内外有关桑椹果酒发酵工艺研究的报道较多,而以桑椹和桑叶作为原料混合发酵果酒的工艺研究尚未见报道,有研究采用响应面法,优化桑椹果叶酒发酵工艺参数[15]。研究响应面法优化桑椹果叶酒发酵工艺。【拟解决的关键问题】以黑桑椹和干桑叶为原料,采用单因素实验及方差分析方法,分析影响桑椹果叶酒品质显著的因素,利用响应面法分析各因素对桑椹果叶酒进行感官评分。优化桑椹果叶酒发酵工艺,确定工艺参数,为桑椹酒加工企业提供技术参考。
1.1.1 黑桑椹
采摘于吐鲁番高昌区园艺场;桑叶,采摘于吐鲁番高昌区园艺场;白砂糖,新疆中唐糖业有限责任公司。
1.1.2 试剂
盐酸、氢氧化钠、葡萄糖、硫酸铜、酒石酸钾钠、邻苯二甲酸氢钾、乙醇,均为分析纯;NaHCO3、柠檬酸,均为食品级;果胶酶,上海康禧食品饮业有限公司;焦亚硫酸钾,ESSECO S.R.L.;酿酒高活干酵母(LALVIN EC-1118),上海杰兔工贸有限公司。
1.1.3 仪器
TP-A500型电子分析天平,美国康州HZ电子有限公司;UV754N紫外可见分光光度计,上海精密科学仪器有限公司;控温发酵罐FJG-1、储酒罐,吐鲁番市耀扬金属制品有限公司;制冷设备ICA-20L,上海康赛制冷设备有限公司;打浆机DJ-330,温州市龙湾东霸食品机械厂;酒精计;全自动电位滴定仪。
1.2.1 样品制备
黑桑椹:采摘于吐鲁番高昌区园艺场,采摘后2 h之内榨汁,加入二氧化硫静止2 h,再加入果胶酶低温静止备用。
桑叶:桑叶采摘后洗净,晾干,粉碎备用。
1.2.2 工艺流程
桑叶
↓
新鲜黑桑椹→分选→榨汁→加焦亚硫酸钾→酶解处理→调节糖酸→接种酵母→控温发酵→终止发酵→低温澄清→倒灌→陈酿→澄清过滤→杀菌→灌装→成品
1.2.3 单因素实验1.2.3.1 不同采收期的桑叶对桑椹果叶酒品质影响
以桑椹汁与桑叶质量比为100∶1,初始糖度为22%、初始pH值为3.5、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃进行桑椹果叶酒发酵,研究不同采收期桑叶(春季桑叶、夏季桑叶、秋季桑叶、霜后桑叶)对桑椹果叶酒品质的影响。
1.2.3.2 不同原料配比对桑椹果叶酒品质影响
主要以桑椹汁、霜后桑叶为原料,初始糖度为22%、初始pH值为3.5、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃进行桑椹果叶酒发酵,研究不同配比原料(桑椹、桑叶质量配比分别为20∶1、50∶1、100∶1、150∶1和200∶1)对桑椹果叶酒品质的影响。
1.2.3.3 不同初始糖度对桑椹果叶酒品质影响
以桑椹汁与桑叶质量比为100∶1、初始pH值为3.5、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃进行桑椹果叶酒发酵,研究不同初始糖度(18%、20%、22%、24%和26%)对桑椹果叶酒品质的影响。
1.2.3.4 不同初始pH值对桑椹果叶酒品质影响
以桑椹汁与桑叶质量比为100∶1、初始糖度22%、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃进行桑椹果叶酒发酵,研究不同初始pH值(2.5、3.0、3.5、4.0和4.5)对桑椹果叶酒品质的影响。
1.2.3.5 不同发酵温度对桑椹果叶酒品质影响
以桑椹汁与桑叶质量比为100∶1、初始糖度22%、初始pH值为3.5、酵母接种量0.03%进行桑椹果叶酒发酵,研究不同发酵温度(14、18、22、26和30℃)对桑椹果叶酒品质的影响。
1.2.3.6 不同酵母接种量对桑椹果叶酒品质的影响
以桑椹汁与桑叶质量比为100∶1、初始糖度22%、初始pH值为3.5、发酵温度18℃进行桑椹果叶酒发酵,研究不同酵母接种量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%和0.05%)对桑椹果叶酒品质的影响。
1.2.4 Box-Behnken中心组合
在单因素实验基础上,筛选4个影响较大的因素,设置3个对桑椹果叶酒感官评分值影响较大的水平,建立4因素3水平的Box-Behnken中心组合实验[16],以桑椹果叶酒感官评分为响应值,各因素的3个水平采用-1、0、1进行编码。表1
表1 响应曲面设计实验因素水平和编码Table 1 Response surface factor levels
1.2.5 指标测定1.2.5.1 酒精度、总糖、总酸
按照GB15038-2006的规定执行[17]。
1.2.5.2 桑椹果叶酒感官评分评定标准
以色泽、澄清度、香气、滋味、典型性5个方面为指标,对桑椹果叶发酵酒的感官品质进行综合评价,满分为100分。由10名品评人员组成品评小组,进行感官评定,去掉1个最高分和1个最低分后,取其平均分作为感官评分(取小数点后1位)[18]。表2
表2 桑椹果叶酒感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of apricot wine
数据采用Excel2007 统计分析,重复3次,结果用“平均值±标准差”表示,采用SPSS软件对数据进行处理与回归分析。通过Design-Expert 8.0.6 统计分析软件进行响应面实验设计与结果分析。
2.1.1 桑叶对桑椹果叶酒的品质影响
研究表明,不同采收期桑叶对桑椹果叶酒品质指标具有显著性差异,霜后桑叶发酵产品酒精度最高为12.2%vol,夏季桑叶发酵产品的酒精度最低为11.5%vol,夏季桑叶发酵的产品感官评分最低为82.3分,霜后桑叶发酵的产品感官评分最高为90.3分。表3
表3 不同采收期桑叶下桑椹果叶酒的品质变化Table 3 Effect of mulberry leaves at different harvest time on the quality of mulberry leaf fermented wine
2.1.2 原料配比对桑椹果叶酒的品质影响
研究表明,不同原料配比发酵的产品品质指标具有显著性差异,原料配比200∶1发酵产品的酒精度较高为12.2%vol,原料配比20∶1发酵产品的酒精度较低为10.8%vol,原料配比20∶1发酵产品的感官评分最低为79.3分,原料配比100∶1发酵产品的感官评分最高为90.8分,原料配比20∶1发酵的桑椹果叶酒桑叶味较浓,不能体现桑椹的果香味。100∶1为较适宜的桑椹果叶酒原料配比。表4
表4 不同原料配比下桑椹果叶酒的品质变化Table 4 Effect of different raw material ratio on the quality of mulberry leaf fermented wine
2.1.3 初始糖度对桑椹果叶酒的品质影响
研究表明,不同初始糖度桑椹汁发酵的桑椹果叶酒品质指标具有显著性差异,初始糖度为18%的产品残糖最低为6.8 g/L,酒精发酵比较彻底,糖分大部分转化为酒精,初始糖度为26%的产品残糖最低为20.6 g/L,初始糖度为18%发酵产品的感官评分最低为83.8分,初始糖度为22%发酵产品的感官评分最高为90.7分, 22%为发酵桑椹果叶酒较适宜的初始糖度。表5
表5 不同初始糖度下桑椹果叶酒的品质变化Table 5 Effect of different initial sugar content on the quality of mulberry leaf fermented wine
2.1.4 初始pH值对桑椹果叶酒的品质影响
研究表明,不同初始pH值桑椹汁发酵的桑椹果叶酒品质指标具有显著性差异, pH值为3.5的产品残糖最低为12.1 g/L,酒精发酵情况较好,糖分几乎转化为酒精,pH值为2.5的桑椹果叶酒残糖最高为65.6 g/L,初始pH值2.5桑椹汁发酵产品的感官评分最低为78.5分,初始pH值3.5桑椹汁发酵产品的感官评分最高为90.5分, pH值3.5为发酵桑椹果叶酒较适宜的初始pH值。表6
表6 不同初始pH值下桑椹果叶酒的品质变化Table 6 Effect of initial pH value on the quality of mulberry leaf fermented wine
2.1.5 发酵温度对桑椹果叶酒的品质影响
研究表明,不同温度发酵的桑椹果叶酒品质指标具有显著性差异,发酵温度为14℃,发酵时间最长为13 d,发酵温度为30℃,发酵时间最短为5 d,发酵温度30℃发酵的桑椹果叶酒酸度最高,发酵温度30℃发酵产品的感官评分最低为79.6分,发酵温度18℃发酵产品的感官评分最高为90.8分,18℃为发酵桑椹果叶酒较适宜的发酵温度。表7
表7 不同发酵温度下桑椹果叶酒的品质变化Table 7 Effect of fermentation temperature on the quality of mulberry leaf fermented wine
2.1.6 酵母接种量对桑椹果叶酒的品质影响
研究表明,不同酵母接种量发酵的桑椹果叶酒品质指标具有显著性差异,酵母接种量为0.01%,发酵时间最长为11 d,酵母接种量为0.05%,发酵时间最短为7 d,酵母接种量为0.01%发酵的产品残糖最高为30.5 g/L,酵母接种量为0.03%发酵的产品残糖最低为11.3 g/L,酵母接种量为0.01%发酵产品的感官评分最低为78.6分,酵母接种量为0.03%发酵产品的感官评分最高为91.0分, 0.03%为发酵桑椹果叶酒较适宜的酵母接种量。表8
表8 不同酵母接种量下桑椹果叶酒的品质变化Table 8 Effect of inoculum on the quality of mulberry fermented wine
2.2.1 响应面
各因素对桑椹果叶酒感官评分指标的影响大小依次为发酵温度﹥初始pH值﹥原料配比﹥初始糖度﹥酵母接种量,以桑椹果叶酒感官评分为响应值(Y),以原料配比(A)、初始糖度(B)、初始pH值(C)和发酵温度(D)为自变量,建立4因素3水平中心组合实验,共包括29个实验方案,其中24个析因实验点,5个中心实验点,用以计算实验误差。表9
表9 响应面实验方案及结果Table 9 Response surface methodology and results
2.2.2 回归方程拟合及方差
对各因素回归拟合后,得到回归方程:
Y=91.36+0.37A-0.198B+1.02C-1.56D+0.45AB-0.43AC-0.67AD+0.33BC-0.25BD+0.90CB-2.96A2-1.85B2-2.53C2-3.02D2
F模型=67.60,P模<0.000 1,拟合获得的模型方程极显著,回归模型与实测值拟合程度好,可用该回归方程替代实验真实点对结果进行分析。F失拟=3.57,P失拟=0.115 9>0.05,失拟项不显著。模型中A、C、D的P值<0.01表现为差异极显著,初始pH值、发酵温度、原料配比对桑椹果叶酒感官评分的影响极其显著,各因素影响感官评分顺序为发酵温度﹥初始pH值﹥原料配比﹥初始糖度。 A2、B2、C2、D2的P值均小于0.05,A2、B2、C2、D2对桑椹果叶酒感官评分的影响极其显著。交互项AD、CD的P值都小于0.01,AD、CD对桑椹果叶酒感官评分的影响极其显著。交互项AB、AC、BC、BD的P值均大于0.05,对桑椹果叶酒感官评分影响不显著。模型的决定系数R2=0.985 4,校正决定系数是0.970 8。
表10 回归模型及方差Table 10 Regression model and analysis of variance
2.2.3 响应面图
研究表明,随着原料配、初始糖度、初始pH值、发酵温度由水平-1向+1变化时,桑椹果叶酒感官评分出现先增大后减小的趋势。原料配比、初始糖度、初始pH值和发酵温度之间的交互作用对感官评分的影响程度。图1
图1 各因素交互作用响应曲面Fig.1 The interaction of various factors in response to the surface diagram
2.2.4 验证实验
最适桑椹果叶酒发酵工艺条件为原料配比103.64、发酵温度17.04℃、 初始pH值3.59、 初始糖度21.83%。将工艺条件调整为原料配比103.5∶1、发酵温度17.0℃、 初始pH值3.6、 初始糖度21.8%。桑椹果叶酒感官评分的平均值为91.5分。
选择霜后桑叶发酵桑椹果叶酒较适宜[19]。随着初始糖度的增加,酒精度逐渐升高。这主要是因为酒精发酵主要依靠糖来转化为酒精,糖度含量越高,酒精度越高[20],对时间的影响主要是因为桑椹汁的pH值太低影响酵母活性,抑制发酵过程,使发酵周期明显延长[21];响应面越陡峭,两因素间的交互作用越明显[18],原料配比和发酵温度的交互作用与初始pH值和发酵温度的交互作用对桑椹果叶酒感官评分的影响显著,其余因素间交互作用影响不显著,这与方差分析结果一致[22,23]。
原料是保证果酒产品质量的重要因素之一,它将直接影响果酒酿造后的品质[24]。研究采用桑椹果实和桑叶为主要原料混合发酵制得桑椹果叶酒,桑叶中含有酚类、生物碱、氨基酸、多糖、微量元素等营养和生物活性成分,其中桑叶中的r-氨基丁酸(GABA)含量较高,一种强神经抑制性氨基酸,桑叶还含有1-脱氧野尻霉素(DNJ)天然生物碱成分,它是一种a-葡萄糖苷酶抑制剂,具有降血糖的功效,因桑叶丰富的营养价值,有关于桑叶茶、桑叶饮料等功能性食品的研究,桑椹桑叶混合发酵研究方面,王艺霖[4]研究了不同比例的桑叶添加量对桑椹桑叶发酵酒中酚类,生物碱,氨基酸等成分含量的影响,最终选定2%的桑叶粉添加量为混合发酵酒的较合适添加量。
桑椹果叶酒在发酵过程受到原料配比、酵母菌种、发酵温度、初始糖度、初始pH值、初始SO2浓度、酵母接种量、发酵时间等多种因素的影响[25],这些因素直接或间接的影响酒的色泽、香气、口感等感官品质。该研究在前期研究中,对不同时节的干桑叶、原料配比、初始糖度、初始pH值、酵母接种量、发酵温度进行单因素试验,后筛选出原料配比、初始糖度、初始pH值、发酵温度对桑椹果叶酒感官评分的影响较大的4个因素进行响应面实验设计。叶学林[26]等采用桑椹为主要原料,以感官评分为指标,采用响应面法优化桑椹果酒发酵工艺,得到起始糖度22.6%,起始pH 3.6,主发酵温度15℃,这与试验中选择的这3个指标的研究结果基本一致,这主要是因为桑椹果叶酒的主要原料为桑椹,桑叶的比例占得较小,低温发酵能够较好的保持桑椹酒的果香及色泽,整个发酵过程两者差别不大。而与范玉婷[3]、任博[18]等以桑椹为原料优化桑椹酒工艺,得出最优发酵温度为25℃,这与试验中发酵温度指标的研究结果不一致,这主要是因为不同的原料,不同的发酵环境,及研究者的评判标准不一致。
通过以桑椹果叶酒感官评分为响应值(Y),原料配比(A)、初始糖度(B)、初始pH值(C)和发酵温度(D)为自变量建立回归方程:Y=91.36+0.37A-0.198B+1.02C-1.56D+0.45AB-0.43。
AC-0.67AD+0.33BC-0.25BD+0.90CB-2.96A2-1.85B2-2.53C2-3.02D2,得到最适桑椹果叶酒发酵工艺条件为原料配比103.64、发酵温度17.04℃、 初始pH值3.59、 初始糖度21.83%,在此条件下的桑椹果叶酒感官评分最大理论值为91.63分。实际测得桑椹果叶酒感官评分的平均值为91.5分,实验值与模型回归值一致性良好,实验误差小,可以用此模型分析、预测各因素对桑椹果叶酒感官评分值的影响。该回归模型具有较好的预测性能。